（检测技术与自动化装置专业论文）智能家居的人性化设计.pdf

摘要 摘要 智能家居的概念提出已久，对人性化设计的要求也越来越高。很多机构正致力于智 能家居的开发，其中重要的技术关键是计算机、通讯和消费电子等i t 产业核心产品的 控制和互联互通。 目前正在广泛使用的家用电器设备中，主要控制手段仍是以红外遥控为主。但是 各种品牌的家用电器各有各自的遥控器，以至于家庭中红外遥控器数量繁多，功能单 一，使用方法又各不相同：缺乏通用控制手段，成为利用现有的家庭电器设备发展智 能家居的一大障碍。 本文设计了基于网络的嵌入式控制系统，控制中心通过i e c 8 0 2 1 1 无线局域网与 r s 4 8 5 总线组成的家庭局域网络中的所有可控设备进行通讯，使各种黑色家电的红外控 制终端、彩灯控制终端、窗帘控制终端等设备联动工作；提供了“自然醒闹钟 应用 实例，并可用于多种场景的综合控制。并具备现场红外学习功能， 本设计的工作内容如下： 1 利用r s 4 8 5 总线、基于i e c 8 0 2 1 1 的t c p i p 网络构建了复合通讯网络平台， 并制定应用层通讯协议。 2 在l i n u x 平台上设计并开发了家庭控制中心，拥有“自然性闹钟”场景控制实 例，并集合了红外现场学习、红外设备通用控制、灯光控制、步进电机控制等功能于 一体，通过“虚拟遥控器文件对各种家用电器实现了通用控制。使用自适应分频算 法、g c d ( g r e a t e s tc o m m o nd j v i s o ，最大公倍数) 算法与p s n r ( p e a ks i g n a ln o i s o r a t i o ，峰值信噪比) 算法将编码在有效范围内进行压缩，提高了传输效率与存储空间 利用率。通过l i n u x 下的多进程和多线程、i p c s 通讯机制、动态库等技术实现了系统 的软件部分，使控制中心在并发实时性与稳定性上有良好的表现。 3 目前广泛使用的家用电器设备中，控制手段仍是以红外遥控为主；针对这种现 状，根据对红外信号编码规范和多种红外遥控器信号的分析结果，设计开发了自适应 分频的红外控制终端；对现有预存式万能遥控器局限于已有制式信息、学习式通用遥 控器对部分家电不适用的缺陷进行了改进。 关键词：智能家居，嵌入式系统，l i n u x ，m i n i g u i ，自适应红外控制器，网络技术 a b s t r a c t a b s t r a c t u s a b i l i t ya n dh u m a n i t yi st h em o s tc r i t i c a lr e q u i r e m e n ti nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e m ( i h c s ) i h c si sb a s e do nt h et e c h n o l o g yf o u n d a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mc o n t r o l ，n e t w o r kt e c h n o l o g y , w i r e l e s s ，m u l t i m e d i aa n do t h e rt e c h n o l o g yt o f u l f i l lt h ed e s i r ef o rh i g hl i v i n gs t a n d a r di nt e r m so fh e a l t h ，l i v i n gc o n d i t i o n ，e n t e r t a i n m e n t ， b u s i n e s sp l a t f o r m t 1 1 i s p a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s e l f - a d a p t a b l ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e rb a s e do nn e t w o r k ，a n dc o n d u c t e dt h ef o l l o w i n g w o r k ： 1 b u i l dah y b r i dn e t w o r ks y s t e mb a s e do nr s 4 8 5b u s ，8 0 2 1 1w i r e l e s sa n dt c p i p n e t w o r k , b a s e do nw h i c ht h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h ei n f r a r e dt e r m i n a lc a np e r f o r m c o m m u n i c a t i o n 2 d e s i g na n dd e v e l o ps o w , v a r eo nl i n u xo s ，r e a l i z e d n a t u a lc l o c k f u n c t i o n d e s i g n a n di m p l e m e n ts o f t w a r eo ne m b e d d e du c l i n u xp l a t f o r mu n d e rt h es u p p o r to fm u l t i p l e p r o c c e s s ，i n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s h a r e dl i b r a r y m a k ei t c a p a b l et o d y n a m i c a l l yr e c e i v ea n ds t o r et h ei n f r a r e dc o d ei n t oi t sf i l es y s t e m ，m a i n t a i nt h ev i r t u a l r e m o t ec o n t r o l l e ri n f o r m a t i o n ，a n dc o m m u n i c a t ew i t hl p c 9 3 2v i an e t w o r k p u te x t r ac a r eo n t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m 3 c o n d u c taw i d er a n g eo fa n a l y s eo v e rc u r r e n te x i s t i n gr e m o t ec o n t r o l l e r , o v e r c o m e d c o n v e n t i o n a lp r o b l e mw i t hi n f a r e dc o d i n gm e c h a n i s m ，u s ei n t e l l e n g e n ta l g o r i t h mt od e v e l o p t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gf a c i l i t yi nt h es y s t e m d e s i g na n dd e v e l o p e di rt e r m i n a la sw e l l a so t h e rh o m ec o n t r o lt e r m i n a l s k e yw o r d s ：s m a r th o u s ee n v i r o m e n tc o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x ，m i n i g u i ， s e l f - a d a p t a b l ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e r , n e t w o r kt e c h o n o l o g y i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成 果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 虢，前呶擘 妒区年弓月e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意 如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有 权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或 其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者 部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文 的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文 的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 16 ； n e x t r e m a i n d e r = 0 x f f f f ( u n s i g n e di n t ) ( f i n a l t i l & o x o o o o f f 哟； t h l m g = n e x t r e m a i n d e r 8 ； t l l m g = n e x t r e m a i n d e r & 0 x 0 0 f f ； 5 6 第5 章终端与网络设计 第5 章终端与网络设计 5 1 红外终端设计 5 1 1 功能描述 l p c 9 3 2 控制终端的工作涉及到键盘操作、接收网络信息、获取红外编码，发送红 外编码，其工作状态通过用户键盘切换。本系统中利用有限状态机f s m ( f i n i t es t a t e m a c h i n e ) 设计整个下位机系统。 系统功能如下： 1 4 个键盘按键，分别对应确认、取消、上翻、下翻 2 模式切换：拥有红外学习与红外控制模式，用户可根据键盘来选择工作在哪个 模式。 3 从r s 4 8 5 总线读区数据报文，分析命令，执行相应的任务 4 从数据流中提取红外控制编码，转为定时器时间序列 5 通过g p i o 口的红外线发送器，调制红外编码发送至空调 6 通过g p i o 口的红外接受器，将红外信号调制成相应编码，返回至主机 5 1 2 l p c 9 3 2 终端控制器的状态机设计 本系统的有限状态机结构设计如下： 7 种系统工作状态点： 1 菜单选择，拥有两个子状态：l e d 显示学习、l e d 显示控制 2 学习模式，拥有两个子状态：待命状态、上送状态 3 控制模式：拥有三个子状态：待命状念、报文解析状态、红外发送状态 3 个系统状态属性变量： 1 键盘按键：当用户按下按键后，k bi s r ( 键盘中断处理程序) 检测被按下的按 键，并设置该变量。 2 红外信号有效：在收到红外信号后，e i n ti s r ( 外部中断处理程序) 学习红外 5 7 第5 章终端与网络设计 一一 。被收入觥f u 群 初始化状态 一 完毕【报文分析状态 迓过毂壤有效牲 墅茁 盒过红外发送口信 输红外信号 图5 1 红外终端状态转移图 确定键莪按泽 学习模式 开启i n t 中断 。毕缸锌铝号 发送红外编码 至上位机 5 2 彩灯终端设计 本系统中，使用三色l e d 发光电路来模拟实际的家庭灯光系统。 利用脉宽调制技术，可以控制l e d 的发光亮度。因此从理论上，通过改变r g b 三 原色可以调制任意亮度、任意颜色的光调。 系统利用l p c 9 3 2 控制终端连接三色l e d 发光扩展板。根据主控制器发送的命令， 实现多种控制效果，例如渐亮、渐暗、各种颜色灯光的逐渐切换、以及霓虹灯的闪烁 效果。 l p c 9 3 2 开发板与三色l e d 发光扩展板的连接如下： 第5 章终端与网络设计 幽5 2p w m 调光电路 l p c 9 3 2 具有四路p 州脉宽调制电路o c a 、o c b 、0 c c 、0 c d 。本系统使用o c a - o c c 控 制三色l e d 的亮度变化。 5 3 步进窗帘终端设计 本系统中，使用步进电机来控制床帘的打开与闭合。 步进电机控制电路如下： 削5 3 步进l b 机电路 使片ju l n 2 0 0 3 a 忭为步进电机的驱动电路。【p c 9 3 2 通过j p l 9 与步进电机控制模块 相连接。 第5 章终端与网络设计 5 4e t h e r n e t 转r s 4 8 5 模块 本系统选用广州周立功的z n e l 0 0 t 以太网转r s 4 8 5 模块进行网络的转换。 该产品采用a r m 7 内核，内置t c p 1 p 协议栈，可将以太网物理层上的t c p i p 协 议与r s 2 3 2 r s 4 8 5 信号相互转换。 幽5 4z n e l 0 0 t 明户改备 该模块配有维护软件，用户町通过指定的端口、用户名、密码维护和修改诙模块 的i p 地址、端口号，及串口收发参数。 5 5 网络结构设计 本系统以主从方式实现系统功能。 主机具有图形埘户操作界面。而从机为多个单片机终端系统，拥有红外收发的功 第5 章终端与网络设计 能，安装在空调附近，与r s 4 8 5 总线连接。 主从机通信通过i e c 8 0 2 1 1 + t c p i p + r s 4 8 5 总线的混合网络连接，如下图所示。 基于l i n u x 的 衫 自自 客 i u 视卧式m 视 图s s 网络结构目 一 岛厶 第5 章终端与网络设计 主控器内整合了i e c 8 0 2 1 1 网络控制器，与家庭i e c 8 0 2 1 l 路由a p 通过无线物理 层相连。路由器的l a n 口连有z n e i o o t 以太网转r s 4 8 5 设备。该设备可将t c p i p 应用 层的数据剥离，并以r s 4 8 5 的电气特性将应用层数据包发送到r s 4 8 5 总线中。 各红外终端的m c uu a r t t t l 电平串口信号线通过m a x 2 3 2 芯片转换成r s 2 3 2 电气 信号后，并经过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器连接至r s 4 8 5 总线中。 5 6 网络通讯规约设计 5 6 1 应用层协议数据结构 5 6 1 1 数据报文结构 由于r s 4 8 5 总线只提供了物理层和数据链路层的标准，不包含网络层，传输层， 会话层等符合标准o s i 模型的层次以保证数据传达的可靠性，因此需要自定义种应 用层协议来保证数据可靠的传输。 数据报文的格式如下： 表5 1 数据报文结构 功能帧头地址 命令长度数据校验 长度l2 字肖 2 字：幅2 字节 2 - 7 节l e n g t h 1 l 值 l 5 a 5 a a d d r l ! a d d rc m d l ! c m dl e n g t h c o d es u m l 报文中包括以下信息： 帧头： 表示数据报文的开始。r s 4 8 5 总线启始工作时，头几个字节传输容易发生错误。帧 头就是为了使总线稳定而设置的字段。用户接收后无需判断帧头的值。 地址： 由一字节的地址值与一字节的地址值取反组成。用户应该判断a d d r o 是否等于 a d d r 1 。a d d r 代表数据发送目的在r s 4 8 5 总线内的地址号。 命令： 目前支持的网络命令如下 p i n g ： 测试工作状态命令。由主机一 红外发送终端 p i n ge c h o 操作成功的返回数据。由红外发送终端 主机 6 2 第5 章终端与网络设计 i rt x发送红外编码命令。操作完成后，终端返回p i n g 帧。在红外编码方 式下，数据域由分频值( 1 字节) 、基本时间片( 2 字节) 、红外编码组成。如果是学 习状态，则数据域中没有基本时间片。 彩灯控n - 数据域长度为l 字节，可传递以下几种灯光控制效果： 1 ：渐变至红光 2 ：渐变至绿光 3 ：渐变至蓝光 4 ：所有灯光渐亮 5 ：所有灯光渐暗 6 ：交替渐变闪烁 窗帘控制：1 字节的数据区可传递以下集中床帘控制效果： l ：窗帘打开 2 ：窗帘关闭 长度：数据域的字节数，记作l e n g t h 。 数据：数据域，长度为l e n g t h 个字节 校验：采用和校验，其值等于该帧的第三个字节( a d d r ) 到数据域的最后一个字 节的和累加的低8 位。 5 6 2 传输过程 位于l i n u x 端的s e r v e r 进程在接收到命令后，应该按照上述数据协议进行数据 封装，然后通过以太网发送至l p c 3 2 ，同时等待l p c 9 3 2 返回的p i n ge c h o 包。当然 不可能无限时间一直等下去，本系统采用了超时机制，在发送包后的1 秒钟内如果无 p i n ge c h o 包返回，则认为操作失败。在此情况下，系统会继续重发3 次，如果3 次 都没有响应，则认为操作失败，同时向r m c 进程的f i f o 返回“e r r o r 信息。 l p c 9 3 2 单片机在接收数据包时也采用相应规则。单片机认为一个包的接收时限为 3 0 0 m s 。从串口收到第一个数据开始计时。同时如果1 5 m s 的字符问超时时限内没有收 到新的数据，则认为一个包接收完成。在收完一个包( 一帧数据) 后，对数据内容进 行分析。 6 3 第5 章终端与网络设计 首先判断地址是否有效( a d d r 0 】一a d d r 1 】) ，接着判断a d d r 是否等于自己的r s 4 8 5 网络地址号。然后检查命令是否有效，最后进行和校验是否有效。如果通过上述检查， 则认为收到有效数据帧，执行相应操作，结束后合成并返回p i n ge c h o 数据包。 5 6 3 执行流程 主控端的通讯过程如下： 详细数据报文处理过程如下： 图5 6 通讯过程 第5 章终端与网络设计 图5 7 详细处理过程 6 5 第6 章控制中心软件架构 第6 章控制中心软件架构 本节将从软件工程的角度分析系统的软件结构设计目标，使其在模块化、可移植 性、可维护性、重用性、系统结构等方面得到较高性能。 软件的质量因素很多，如正确性，性能、可靠性、容错性、易用性、灵活性、可 扩充性、可理解性、可维护性等等。有些因素相互重叠，有些则相抵触，提高系统整 体软件质量，需要从综合角度，考虑多方面的权衡。 6 1 整体架构设计 本系统的软件设计分为两个部分：l i n u x 主控端与l p c 9 3 2 受控终端。 主要的软件设计集中在l i n u x 主控端与网络通讯规约。 l i n u x 主控端共使用了三个进程，各自处理不同的系统任务，并利用i p c s 通讯， 完成整个系统的协调工作。 进程总体设计如下： v r c m a i n ： 进程管理器，负责管理其余三个进程的启动与退出。在l i n u x 内核启动后，v r c m a i n 将通过r c 选项启动，并同时通过e x e c 启动其余两个进程，在其余两进程均成功完成 初始化后，通过信号( s i g n a l ) 发送同步信号，使系统开始运行。 同时，v r c将通过监控其余进程的状态，若其余两进程运行出错成_ m a i n s i g c h l d 为僵死状态，则重新启动该僵死进程。 v r cu s e r c l i e n t ： 通过m i n i g u i 接口，以g u i 方式接收用户的命令请求，向n e t a g e n t 进程发送消息 触发网络控制命令，通过调用v m r d b 动态库管理v r c 虚拟遥控器数据。 v r c _ n e t a g e n t s e r v e r ： 从内核消息队列读取网络命令请求，根据不同的命令封装并发送数据至以太网， 从而控制各红外终端对空调进行控制；从终端捕捉红外编码信息，返回至数据库以存 第6 章控制中心软件架构 储。 v r cd b ： 以动态库的方式，管理读写遥控器编码信息的任务。 采用动态库后，系统的调用接口被明确化，可使数据访问部分与系统功能部分独 立开发，增强了系统的清晰性与结构性，同时为将来的系统升级提供了良好的途径。 l i n u x 主控端的软件结构示意图如下 窿叠 一肾? - 盔i r i 1 札料 - 一 _ ，r l 囊黑阑曩 第6 章控制中心软件架构 后，调用g u i 通知用户操作结果 6 2 运用操作系统多进程提高系统实时性能 621s e r v e r - c ii e n t 经典模型的优越性 单进程控制命令发送过程如下： _ - 。 - 幽6 2 单进程控制 其中绿色部分表示界面能够更新，红色的部分表示界面无法更新，此时界面处于 “假死”状态。可以看到，在接收到用户请求后，有相当长的时m 系统忙于发送网络 命令并等待返问，界面处于假死状态。 本系统采用s e r v e rc l i e n t 模掣，u s e r m a n a g e r 进程属c l i e n t ，n e t a g e n t s e r v e r 属于 第6 章控制中心软件架构 s e r v e r 进程。 其中，c l i e n t 进程处理图形更新与用户请求，一旦检测到有用户界面请求，则通过 消息队列将请求发送至n e t a g e a a t s e r v e r 进程，继而马上返回继续处理用户请求，同时 等待消息队列返回的执行结果。 s e r v e r 进程监听消息队列中的客户请求。一旦s e r v e r 进程得到用户的请求，则创 建一个新的线程，由该线程去处理相应网络通讯任务。这里必须提到的是，r s 4 8 5 总线 在一个时刻只允许有一个几个节点进行数据的发送，否则总线将处于混乱状态，只有 通过总线复位，才可解除混乱状态。因此在线程进入网络通讯任务的临界区前，需获 得信号量，通过互斥的方法将进行网络数据的传输。如果s e r v e r 同时得到多个用户请 求，则第一个执行的线程进行获得信号量( p 操作) ，其余线程必须等待该信号被释放 ( v 操作) 后，才能对网络进行控制。 流程图如下： 第6 章控制中心软什架构 仨 ，凰二j | _ _ _ 溺 匿豳。习 幽6 3 多进程控制顺序 鳃囊j 一、 。 ! 豳警j 可以看到，系统的实时性能有了很大的提高，在发送请求后，界面不会进入假死 状态，而且系统拥有同时处理多条请求的能力。 6 22u s e r c iie n t 进程与n e t g e n t 进程间使用消息队列的优点 如果使用普通的f i f o 管道通讯机制，在系统发出第个命令后等待反馈的时间内， 如果再次接受到用户的请求发送第二条命令( 即多c 1 i e n t 同时请求) 则之后系统无法 辨识返旧的执行结果属f 哪个任务，因此无法可靠的提示川户返回结果。 加 。国 第6 章控制中心软件架构 使用消息队列能在发送任务请求时绑定一个唯一的任务i d 序列号，使得在多请求 情况发生时，系统可以正确的辨认出该响应属于之前哪个任务，提高了系统的稳定性。 6 2 3 n e t a g e n t 使用线程的优点 在5 2 1 节已简单描述了系统的s e r v e r - c 1 i e n t 模型。但实时性还有进一步提高 的空间。 s e r v e r 进程中，为了在处理网络通讯的同时可以同时处理用户的新请求，采用了 并行工作法则，即：在接收到请求后，创建线程完成实际的传输任务，原进程可继续 处理新的用户请求。 在应用中，就“使用线程和“使用进程 存在着广泛的争议。线程与进程有着 类似的工作方式，但是实现手段截然不同。 本系统采用多线程设计n e t a g e n t 进程，现在简单的对比线程与进程，并阐述采用 该设计方案的理由。 下表对进程和线程作了比较： 表6 1 进程与线程的区别 线程进程 内存占有低同 执行效率两低 通讯方式共享数据i p c s 机制 本系统在设计n e t a g e n t 进程时采用多线程而非多进程的原因如下： 嵌入式开发平台的内存有限。 无法预估最大同时请求数，若采用多进程，可能会使内存崩溃。 在进行网络通讯任务时，所有并行任务均使用同一s o c k e t 文件描述符，使用线程 能高效的实现资源的共享。 综上所述，采用多线程设计n e t a g e n t 进程是相对高效的方法。 6 3 项目管理及i 啊a k e f ile 本系统l i n u x 端源代码文件结构如下： 7 1 第6 章控制中心软件架构 v m rc o m m o n h v m rm a i n c v m r _ n e t a g e n t c v m r _ n e t a g e n t h v m ru s e r c l i e n t c v m ru s e r c l i e n t h v m rd b c v m rd b h t v c o n t r 0 1 h t v c o n t r 0 1 c g e n c o n t r 0 1 h g e n c o n t r 0 1 c 编译后生成的可执行文件列表如下： v m rm a i n v m r _ n e t a g e n t v m ru s e r c l i e n t v m rd b s 0 由于每个进程对应的源码文件只有一个，无须进行多个对象文件的连接，因此 m a k e f i l e 内容相对简洁。 对应的m a k e f i l e 如下： e x e c = v r c m a i nv r c u s e r c l i e n tv r c _ n e t a g e n tv r c d b s o o b j s = v r c m a i n ov r c - - u s e r c l i e n t ov r c _ n e t a g e n t ov r c d b o t v c o n t r 0 1 o g e n _ c o n t r 0 1 oa d a p t e r 0 c c = a r m - e l f - g c c f l a g s = w a l l l i b = i 一i n c l u d e 第6 章控制中心软件架构 a l l ：$ ( e x e c ) v r cm a i n ：v r cm a i n c 乇cc o m m o n h $ ( c c ) $ ( f l a g s ) $ ( l i b ) 一o $ $ 一g v r c u s e r c l i e n t ：v r c u s e r c l i e n t cv r c u s e r c l i e n t hv r c c o m m o n h $ ( c c ) $ ( f l a g s ) $ ( l i b ) l m i n i g u i 一0 $ $ 一g l d l v r c _ n e t a g e n t ：v r cn e t a g e n t hv r c c o m m o n h $ ( c c ) $ ( f l a g s ) $ ( l i b ) 一l p t h r e a d o $ $ - g v r cd b s o ；v r cd b cv r cd b hv r cc o m m o n h $ ( c c ) $ ( f l a g s ) $ ( l i b ) - 0 $ $ - s h a r e d - g c l e a n ： r i l l f $ ( e x e c ) r i l l f $ ( o b j s ) 编译v m r d b 动态库需要加上s h a r e d 选项，以生成动态库对象。 编译v m i u s e r c l i e n t 加上i d l 选项，使其在运行时能绑定动态库。 编译v m r u s e r c l i e n t 加上一l m i n i g u i 选项，使其能连接m i n i g u i 的静态库。 编译v m rn e t a g e n t 加上一l p t h r e a d 选项，使其能连接多线程所需的静态库。 使用m a k ea l l 命令，可一次性完成所有的可执行文件的编译工作。 使用m a k ec l e a n 命令，可删除所有的可执行文件及目标文件。 7 3 第6 章控制中心软件架构 6 4v r c 配置文件概念及其存储格式 6 4 1 虚拟空调文件管理 储存虚拟遥控器的关键问题在于：如何获取空调的红外编码，以何种方式存储， 如何去管理不同型号空调的信息。 本系统中，每个空调的基本信息存放在一个专用的配置文件中，该文件以特定字 符串作为后缀名。并且文件内部遵循一定的协议规则，每个红外设备的基本信息，以 及红外编码，均按照这个协议存放，这样一来，管理不同的空调就变成管理不同的文 件。而且，l i n u x 内核中采用了v f s 虚拟文件系统，使之对文件系统的支持相当优越， 再结合l i n u x 自带的文件处理工具如模式搜索程序g r e p ，流编辑程序s e d ，数据加工 检索工具a w k ，可以非常高效的对空调进行控制。 现在对r m c 的内部语法结构进行具体说明： f i l e n a m e = x x x r m c t i t l e t i t l e = r e m o t ec o n t r o l l e ri n ff i l e r o o m r o o m = 实验实 a i rc o n d i t i o n e rt y p e 】 t y p e = l g n a m e 】 n a m e = y - 作室空调 a d d r a d d r = 0 x 01 o p c o d e o n = o f f = m o d e c o l d = 在r m c 文件中，将不同信息分为“项 ，每项的标题被“ ”包含在内。 t i t l e 项为文件头信息，只有t i t l e 内容为“r e m o t ec o n t r o l l e ri n ff i l e ”且后 7 4 第6 章控制中心软件架构 缀名为r m c 、t v 、g e n 的文件才能正确被识别为虚拟空调文件。此项也是设备开机自检 时搜索系统内存在的虚拟遥控器的重要依据。 n a m e 是虚拟空调遥控器的名字。用户可随意给它取名。 a d d r 是该遥控器对应的红外发射器在r s 4 8 5 网络内的地址号。此项为关键信息。 r o o m 和a i rc o n d i t i o n e rt y p e 分别对应空调的房间及空调的型号。此项尽量与实 际信息相符。 o p c o d e 则就是遥控器各个按钮的编码。关于遥控器红外线编码获取方式的具体细 节，请见下节。 6 5 v r c 动态管理及其特点 本系统的一大特点是，将不同的遥控器虚拟文件化，即：一个虚拟遥控器文件对 应一个实际存在的真实遥控器。当一个遥控器的红外编码按照指定格式存储至系统后， 该遥控器就在系统内以软件的形态重生，可以灵活的对其进行管理。 本系统的一大特点是：可以动态管理所有的虚拟遥控器文件，即，在用户运行系 统时，通过g u i 的方式添加删除虚拟遥控器文件。包括： 删除现有的虚拟空调遥控器。 添加虚拟空调遥控器：通过l p c 9 3 2 单片机的红外接收口，自适应真实遥控器编码， 并存储至文件系统内。当然，系统需要通过m i n i g u i 为用户提供良好的接口。在 v r cu s e r c l i e n t 中对该功能的设计进行了详细描述。 6 6 v r c m a in 进程详细设计说明 本节讨论整个系统的管理进程：v r cm a i n 进程。 6 6 1 进程功能描述 v r c _ m a i n 进程包括以下功能： 1 v r cm a i n 进程是供用户执行的管理总进程，可将其放入启动r c 文了中，在 每次系统上电时自动运行。 2 v r cm a i n 开始运行后依次执行f o r k e x e c 命令，启动其余的两个主要进程。 3 在其余两个主要进程都成功运行后，发送s i g n a l 通知其余两个进程开始运行。 7 5 第6 章控制中心软件架构 4 在后台监控进程运行状态，在收到某一进程僵死的s i g c h l d 信号后，则重新 运行该进程，避免系统功能阻塞。 5 后台程序设有看门狗定时器。其余两个进程使用s i g u s r l 作为喂狗信号，在 十秒的期限内按时喂狗，如果超过该期限没有收到某进程的喂狗信号，则结束该进程 并重新启动。 6 6 2 进程间通讯接口 v r c _ m a i n 进程与其余两进程主要通过信号( s i g n a l ) 进行通讯。 v r cu s e r c l i e n t 与v r c 在启动后，等待发送的同netagentv r cm a i n s i g u s r l 步信号，然后开始运行。 v r cm a i n 在启动后，定期等待u s e r c l i e n t 与n e t a g e n t 的喂狗信号。 示意图如下： 6 6 3 执行流程图 v r cm a i n 的主执行流程如下： 图6 4 喂狗方式 7 6 第6 章控制中心软件架构 n y 图6 5v r cm a i n 流程图 7 7 第6 章控制中心软件架构 6 7u s e r ci e n t 进程详细设计说明 6 7 1 进程功能 u s e r c l i e n t 进程有两个工作模式：控制模式和自适应模式。 主要实现了以下功能： 1 通过m i n i g u i 接口初试化程序界面 2 循环扫描用户请求，进行相应处理： ( 1 ) 发送空调遥控命令至于n e t a g e n t 进程 ( 2 ) 通过s i g u s r 2 接收执行结果返回 ( 3 ) 进入虚拟遥控器文件管理菜单 ( 4 ) 自适应学习遥控器界面 3 通过数据库接口动态管理访问v r c 信息 ( 1 ) 动态加载所有遥控器信息至系统链表，将虚拟遥控器文件信息与该链表对应 节点绑定 ( 2 ) 从空调遥控器链表节点中读取指定项的命令内容 ( 3 ) 删除虚拟遥控器节点与对应文件 ( 4 ) 新建虚拟遥控器文件 ( 5 ) 向虚拟遥控器文件内写入指定内容( 仅以追加方式写入) 4 通过消息队列委派空调控制命令 ( 1 ) 生成唯一的序列号，将该序列号作为消息队列的t y p ec h a n n e l 值，发送至 n e t s e r v e r 进程。 ( 2 ) 通过s i g u s r 2 信号，到消息队列的指定t y p ec h a n n e l 接收n e t s e r v e r 的执行 结果反馈，并将结果通过用户界面显示。 6 7 2 进程间通讯接口 6 7 2 1 进程间数据流关系 u s e r c li e n t 与n e t a g e n t 属s e r v e r c 1 i e n t 模型，其数据流通讯关系如下： 7 8 各c l i e n t 以独有的序列号 访问消息队列 图6 6 进程间通讯方式 由于考虑到系统今后可, 日u 匕l - , 扩充为多c l i e n t 模式，因此使用带唯一序列号的t y p e c h a n n e l 来使c l i e n t 与s e r v e r 进行通讯。该t y p ec h a n n e l 可以是各c l i e n t 进程的 p i d ( p r o c e s si d ) 。 如果s e r v e r 与c 1l e n t 不指定消息队列的t y p e ，或者使用f i f o 进行通讯，则各 c l i e n t 无法识别属于其自己的执行返回结果，系统将无法可靠执行。 6 7 2 2 消息队列中的数据结构定义 现在讨论用于s e r v e r c l i e n t 通讯所使用的消息队列内存具体数据结构。 t y p e d e fs t r u c t rm s g q p i d tp i d ： p i do fc l l e n tp r o c e s s u i n t 8c m d ：c o m m a n df o rs e r v e r u i n t 8a d d r4 8 5 ：a d d r e s so fo p e r a t i o nn o d ei n4 8 5b u sc h a i n u i n t 8o p ：c o d e 5 1 2 o p e r a t i o ni rc o d en e e d e db yl p c 9 3 2 u i n t 3 2e r r c o d e ： tm s g q ，* p tm s g q ： 第6 章控制中心软件架构 1 p i d 为客户端进程的p i d 号。s e r v e r 根据该进程号，将操作结果通过s i g u s r 2 信号返回至c l i e n t 进程。 2 c m d 为c l i e n t 向s e r v e r 发布的命令。目前支持的命令有： c m dp i n g ：发送p i n g 包至节点，检测r s 4 8 5 网络节点是否正常工作 c m dt x ：发送红外代码到r s 4 8 5 网络节点。节点上的红外终端控制器在收到 命令后应该进行红外操作 c m ds a ：接收到红外自适应编码 3 a d d r4 8 5 ：对应r s 4 8 5 节点的地址。 在主机向r s 4 8 5 节点发送控制命令时，该字段对应要控制的节点地址； 在自适应模式中，该字段为学习红外编码的r s 4 8 5 节点地址。 4 o pc o d e ：红外编码数据，该编码将被传输至r s 4 8 5 节点控制终端，在发射红 外控制信号时使用。其中包含自适应动态分频值 5 e r rc o d e ：错误返回码，在此不详述。 6 7 3 执行流程图 6 7 3 1 控制模式 控制模式模拟空调遥控器。界面如下： 在使用过程中，用户可通过右上方的下拉框，自行切换需要控制的空调。 在更改了当前控制的空调后，系统会发送p i n g 命令至r s 4 8 5 节点，检查节点 l p c 9 3 2 控制终端是否j 下常工作。如果终端状态异常，将通过状态栏的“终端”显示错 误信息。 具体执流程程如下： 第6 章控制中心软件架构 1r 。 冬等多 定时器超时 i r 显示。操作超时”， 鲡进程是否上e 在执疗卜 清空b u s y 全局变 一个控制命令操作? 量 y 设置b u s y 全局变 量 o 收到s i g u s r 2 | 信弓 调m v r c d b 动态 i j 宰，获取千f i 应审调的 详细信息 从消息队列获取执 之 行结果代，将执 行结果显示到屏幕 封装消息队列数 | 据，发送请求砭 n e t s c r v e r 进程 | 取消超时定时器， 清空b u s y 全局变 | 簧 设置超时定时器，继 续更新用户羿面，并 处理用户请求 图6 7u s e ra g e n t 流程图 1 在接收到用户请求后，检查系统的上一个操作是否完成。 2 首先根据当前选择的空调链表节点信息，调用动态库，获取相应的红外编码。 3 将红外编码与控制命令封装至m s g q 数据结构中，通过消息队列发送至 n e t s e r v e r 进程。 4 设置超时定时器，返回用户界面处理 第6 章控制中心软件架构 5 在此期间，若收到n e t s e r v e r 的执行完毕信号s i g u s r 2 ，则进入信号处理函数， 从消息队列接收执行结果，并将操作结果显示在用户屏幕上。同时禁止超时定时器， 清空b u s y 全局变量。 6 如果在指定的时间内，没有收到n e t s e r v e r 的结果返回，则提示超时。超时时 间设置为5 秒。 该进程调用m i n i g u i 接口，完成了所有的与界面相关的操作，包括：电视控制、 空调控制、通用控制、自适应的用户端工作。 ( 1 ) 空调控制 在空调控制属性栏中，拥有当前空调运行状态的显示功能，表示空调当前的运行 状态。 空调可在制热、制冷、通风三种模式问切换。 同时系统支持风力的切换、调节室内温度。 ( 2 ) 电视控制 电视控制栏中不支持显示当前系统状态。主要功能是根据用户的按键，发送各种 控制命令： ( 3 ) 通用控制 与电视控制类似，在此不累述。 6 7 3 2 自适应模式 在自适应模式中，u s e r